燃气轮机带阀片引射混合器内流特性分析

魏凯，罗忠,3*，孙永航，王宇

燃气轮机带阀片引射混合器内流特性分析

魏凯1,2，罗忠1,2,3*，孙永航1,2，王宇1,2

（1．东北大学机械工程与自动化学院，辽宁省 沈阳市 110819；2．东北大学佛山研究生院，广东省佛山市 528312；3．东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室，辽宁省 沈阳市 110819）

引射混合器对燃气轮机的降温降噪具有决定性作用，与传统的引射混合器相比，带有阀片结构的引射混合器性能较好。为了充分探究其内流特性，进而为优化设计提供依据，在有无阀片的引射混合器构型下，基于计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟，对比分析了其引射比、出口平均温度、出口最高温度、出口平均速度等表征引射性能的参数；针对带有阀片的引射混合器，分析了不同阀片开度下的引射性能。结果表明：带有阀片结构的引射混合器的混合性能显著提高，在阀片开度为45°时，其引射性能最佳。

燃气轮机；引射混合器；引射性能；阀片开度

0 引言

燃气轮机工作时，燃烧室、压气机等所对应的机匣装置会产生过高的温度，这将会影响发动机上的电气控制元器件和其他附件正常工作，并会对工作人员的安全产生很大的威胁，因此，燃气轮机的冷却是电器元件正常运行和工作人员安全操作的重要条件[1]。

引射器是一种利用高速高能流引射另一股低速低能流，进而混合，使主流降温降噪的装置[2]。学者们已广泛研究了引射器的结构和进出口的参数对引射性能的影响，包括主次流进口压力比、进出口的面积比(area ratio，AR)，扩张段、混合段的长度以及混合管的弯曲角度等。Keenan等[3-4]建议，对于AR为256的引射器，采用长度比(length ratios，LRs)为7～8的混合管道来实现良好的泵送性能。Liao等[5]建立了适用于引射器设计和分析的一维解析模型，新模型扩展了现有模型未解决的问题，并能有效地分析非设计工况，如发生在初级流中的冲击。Bottenheim等[6]于2004年通过实验设计与数值方法对一种新型排气管道的性能进行了研究，发现其管道流动损失极为严重。Maqsood等[7]对圆截面的弯管混合管排气引射器进行实验与数值研究，充分探讨了混合管的弯曲程度和进气口旋流角度对引射性能的影响。Kim等[8]通过分析引射器的性能来预测主次流间的压力比变化。Opgenorth等[9]通过实验和仿真分析研究了在次流进口面积不变的条件下，次流进口的形状对二次流量比和喷管压力比的影响，结果表明，含有3个波瓣的次流进口具有最佳的引射性能。Namet-Allah等[10]对多级带有吸入式扩压器的气–气引射器在低马赫数情况下进行实验，研究了喷嘴长度对引射性能的影响。潘丞雄等[11]采用受限式和敞开式2种进口方式，对双级波瓣引射混合器的引射性能进行数值模拟与实验研究，结果表明敞开式进口性能最佳。刘培启等[12]通过计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法对引射器的喷嘴间距、混合室直径及扩压式长度等关键结构参数进行了优化，结果发现引射器的等熵效率提高了约13%。叶宇琛[13]研究了直升机排气引射器配合角度对引射性能的影响，结果表明：引射比随排气管上下配合角度的增大而增加，随排气管航向前后配合角度的增大先增加后减小。赵芳等[14]提出了一种产生高温燃气的燃气发生器与引射器对接的方案并进行了试验，结果表明，引射燃气温度一定范围内的变化基本不影响引射器工作时的性能。

在目前广泛研究的燃气轮机和航空发动机的引射混合器构型中，主次流混合起始点是在主流的末端，而主流通道在整个引射混合器中占很大比例，致使混合不充分。对于带有阀片结构的引射混合器，其独特的构型可使主次流提前混合，与传统型相比，增强了混合的均匀性。因此，为了充分探究在阀片结构下的内流特性，本文分析了传统型与带阀片的引射混合器的性能差异，讨论了阀片开度对带有阀片的引射混合器的性能影响，以期为引射混合器的优化设计提供依据。

1 工作原理与控制方程

1.1 引射混合器引射机理

引射混合器内的流体流动过程如图1所示，高速的主流流体从喷嘴喷出后形成射流，由于射流与周围流体间存在速度差，因此射流周围原本静止的流体在高速射流的卷吸下随射流一起流向下游，从而在混合管入口附近形成一个低压区域，使得引射流体被一同抽吸入混合器。主流与引射流两者之间的交界面(射流界面)是流速不连续的间断面，这种间断面是不稳定的，因此在射流边界上存在强烈的主次流脉动掺混及紊流现象。由于低速次流不断掺混入主流，射流的断面面积和质量流量沿程扩大，但速度将逐渐减小，最终射流将与次流完全掺混形成混合流。

图1 典型引射器工作原理

1.2 流体动力学方程

对于引射混合器的内流场，其需要满足各物理场守恒定律，如质量守恒、动量守恒及能量守恒等[15]。虽然各守恒方程包含了不同个数的变量，但都反映了物理量在单位时间、单位体积内的守恒特性。令为通用变量，则控制方程可表示为

式中：¶()/¶为瞬态项，其中为气体密度；div()为对流项，其中为动力黏度；div(grad)为扩散项，其中为扩散系数；为源项。

由于在引射混合器中气体的流动是2种存在速度差流体之间的互相混合，而且是不稳定的，因此运动需考虑湍流模型。选用标准的-模型，其湍流能与耗散率的控制方程为：

式中：为流体的动力黏度；为湍流能；为湍流耗散率；为湍流黏度；u为速度矢量的分量；G为由平均速度梯度引起的湍动能产生；参数1=1.44，2=1.92，=1.0，s=1.3。

2 计算模型与数值方法

2.1 计算模型

在传统的引射混合器模型中，在主流出口前，主次流不进行掺混，如图2所示。带有阀片的构型如图3所示，引射混合器的阀片位于排气筒前端，周向均匀布置8个，打开时与轴线成45°，在排气筒内部形成8个波瓣，引射一部分低温气流。

图2 传统引射混合器构型

图3 带阀片引射混合器构型

2.2 数值方法

本文基于Fluent进行引射混合器内流场的CFD数值模拟，分析有无阀片的引射混合器性能的差异性，并讨论不同阀片开度对引射混合器性能的影响。引射性能的表征参数主要包括引射比、出口平均温度、出口最高温度、出口平均速度。受引射混合器各部件位姿的影响，阀片开度范围为0°～45°，如图4所示。

在划分网格时，由于在打开阀片的附近存在主次流掺混，流场比较复杂，因此，为了保证仿真的精度，在阀片附近作球形加密，如图5所示。具体为：在8个阀门的表面分别建立8个局部坐标系，在尺寸设置时选择Sphere of influence(球面)加密方法，利用选取的8个局部坐标系作为网格加密的球心，在红色球状与蓝色实体相交的区域进行加密，生成网格。截取对称面后，球形加密后的效果如图6所示，可以看出，在以阀片为中心的球形区域网格较密。

图4 引射混合器不同阀片开度

图5 球形加密区域

图6 球形加密后网格示意图

2.3 仿真方法验证

为了验证CFD仿真分析方法的正确性[16]，将仿真结果与文献[17]的实验数据进行了对比。在LRs为2、AR为1.95的工况下，出口的径向速度比分布如图7所示，其中：/p为出口某点速度与主流速度之比；/为出口某点到圆心的距离与出口半径之比。仿真分析选用Standard-湍流模型及标准的壁面函数，从图7可以看出，其实验数据与CFD仿真结果吻合良好，平均误差为3.41%，证明了本文仿真方法的正确性。

图7 实验数据与CFD仿真结果对比

3 计算结果与分析

3.1 有无阀片对引射性能的影响

表1列出了引射混合器在有无阀片2种结构下的主要引射性能。可以看出，与传统引射器相比，在有阀片的结构下，其引射性能提高了约3倍，出口最高温度与出口平均温度均降低，而出口平均速度略有提高。这是由于在带有阀片的结构下，主流进口前端的二次流通道处产生压差，主次流第一次混合，从而可以卷吸更多的低温次流，使引射比增加；随着大量低温气体的吸入，出口的温度也随之降低，但总气体的速度增加。

表1 引射混合器有无阀片性能对比

引射混合器在有无阀片2种结构下的对称面温度分布如图8所示，可以看出，与无阀片的结构相比，在有阀片的结构下，其温度混合较均匀，主次流混合的效果明显提高。这是由于阀片与二次流通道的存在使次流可以通过二次流通道被吸入排气筒内，提前与高温燃气混合，从而使均匀度增加。

图8 有无阀片下对称面温度分布

3.2 阀片开度对引射性能的影响

图9为阀片开度对引射比的影响曲线，可以看出，随着阀片开度逐渐增大，引射比是逐渐增加的，阀片开度每增加10°，引射比平均增加约4.73%。这是由于当阀片开度逐渐增加时，主次流间通道的有效面积逐渐增大，在二次流通道附近流速不连续的间断面随之增大，这种间断面是不稳定的，因此在射流边界上存在强烈的主次流脉动掺混及紊流现象，在主流进口附近会抽引更多的二次流。

图9 阀片开度对引射比的影响

阀片开度对出口平均温度和平均速度的影响曲线分别如图10、11所示。可以看出，随着阀片开度逐渐增加，出口平均温度逐渐降低，出口平均速度逐渐增加，阀片开度每增加10°，出口平均温度降低7.65℃，出口平均速度增加1.09m/s。这是由于随着阀片开度的增加，被引射的低温次流流量越来越大，而主流流量不变，其总体流量与流速是逐渐增加的。

图10 阀门开度对出口平均温度的影响

图11 阀门开度对出口平均速度的影响

图12为出口最高温度随阀片开度的变化曲线，可以看出，随着阀片开度逐渐增加，出口最高温度越来越低。这是由于当阀片开度逐渐增加时，通过次流通道进入排气筒的低温被引射气流增多，两股气流的混合度提高。

图12 阀门开度对出口最高温度的影响

4 结论

带有阀片的引射混合器在原有构型的基础上，在排气筒前端增加8个阀片，以增强其主次流混合的强度。对比分析了有无阀片的引射混合器的性能，并分析讨论了阀片开度对引射性能的影响，得到以下结论：

1）相比于传统的引射混合器，带有阀片结构的引射混合器引射比会大大提高，并且出口平均温度明显降低，出口平均速度略有提高，但相比于出口平均速度的增加值，其引射比和出口温度的降低值是较大的，因此，带有阀片的引射混合器的整体性能较传统构型是提升的。

2）在阀片开度对引射性能的影响中，随着阀片开度从0°增加到45°，引射比和出口平均速度呈上升趋势，出口平均温度和出口最高温度呈下降趋势，其整体的引射性能是提高的。因此，在阀片开度为45°时引射性能最佳，为引射混合器的结构优化提供了依据。

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Analysis of Internal Flow Characteristics of Gas Turbine Ejector Mixer with Valve Plate

WEI Kai1,2, LUO Zhong1,2,3*, SUN Yonghang1,2, WANG Yu1,2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning Province, China; 2. Foshan Graduate School of Northeastern University, Foshan 528312, Guangdong Province, China; 3. Key Laboratory of Vibration and Control of Aero-Propulsion System (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning Province, China)

The ejector mixer plays a decisive role in the cooling and noise reduction of gas turbine. Compared with the traditional ejector mixer, the ejector mixer with valve plate structure has better performance. In order to fully explore its internal flow characteristics and provide a basis for optimal design, the computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation was used to study the ejector configuration with or without valve plate. The ejector performance parameters such as ejector ratio, average outlet temperature, maximum temperature and average outlet velocity were compared and analyzed. The ejector performance with different valve openings was analyzed for the ejector mixer with valve plates. The results show that the mixing performance of the ejector mixer with valve plate structure is significantly improved. The ejection performance is the best when the valve opening is 45°.

gas turbine; ejector mixer; ejection performance; valve plate opening

2021-02-07。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21019

TK 47

国家自然科学基金项目(11872148, U1908217)；广东省基础与应用基础研究基金联合基金项目(2020B1515120015)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (11872148, U1908217); Joint Foundation of Basic and Applied Basic Research of Guangdong Province (2020B1515120015).

(责任编辑 尚彩娟)